Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Fabrikasjon og karakterisering av fotoniske krystaller bremse lys Waveguides og hulrom

doi: 10.3791/50216 Published: November 30, 2012

Summary

Bruk av fotoniske krystaller bremse lys bølgeledere og hulrom har blitt mye vedtatt av fotonikk samfunnet i mange ulike applikasjoner. Derfor fabrikasjon og karakterisering av disse enhetene er av stor interesse. Denne artikkelen beskriver vår fabrikasjon teknikk og to optiske karakterisering metoder, nemlig: interferometrisk (bølgeledere) og resonant spredning (hulrom).

Abstract

Slow lys har vært en av de aktuelle emner i fotonikk samfunnet i det siste tiåret, genererer stor interesse både fra et grunnleggende synspunkt og for sin betydelig potensial for praktiske anvendelser. Bremse lys fotoniske krystall bølgeledere, i særdeleshet, har spilt en stor rolle og har blitt anvendt for å forsinke optiske signaler 1-4 og forbedring av både lineære og ikke-lineære 5-7 enheter. 8-11

Fotoniske krystaller hulrom oppnå lignende effekter til at av bremse lys bølgeledere, men over en redusert båndbredde. Disse hulrom tilbyr høy Q-factor/volume ratio, for realisering av optisk 12 og elektrisk 13 pumpet ultra-lav terskel lasere og forbedring av ikke-lineære effekter. 14-16 Videre passive filtre 17 og modulatorer 18-19 er blitt demonstrert, stille ultra-smal linje bredde, høy free-spektral range og ta verdier av lavt energiforbruk.

For å oppnå disse spennende resultatene, må en robust repeterbare fabrikasjon protokoll skal utvikles. I denne artikkelen tar vi en grundig titt på vår fabrikasjon protokoll som sysselsetter elektron-litografi for definisjonen av fotoniske krystaller mønstre og bruker våte og tørre etsning teknikker. Våre optimalisert fabrikasjon oppskrift resulterer i fotoniske krystaller som ikke lider av vertikal asymmetri og viser svært god kant-vegg ruhet. Vi diskuterer resultatene av varierende etsning parametere og de skadelige effekter som de kan ha på en enhet, som fører til en diagnostisk rute som kan tas for å identifisere og eliminere lignende problemer.

Nøkkelen til å vurdere bremse lys bølgeledere er den passive karakterisering av overføring og gruppeindeksnummeret spektra. Forskjellige fremgangsmåter er blitt rapportert, spesielt løse de Fabry-Perot frynsene overføring spektrum 20-21 end interferometriske teknikker. 22-25 Her beskriver vi en direkte, bredbånd måleteknikken kombinere spektral interferometri med Fourier transform analyse. 26 Vår metode skiller seg ut for sin enkelhet og kraft, som vi kan karakterisere en naken fotoniske krystaller med tilgang bølgeledere, uten behov for for on-chip forstyrrelser komponenter, og oppsettet består bare av en Mach-Zehnder interferometer, uten behov for bevegelige deler og forsinkelse skanninger.

Når karakterisere fotoniske krystall hulrom, teknikker involverer interne kilder 21 eller eksterne bølgeledere direkte koplet til hulrommet 27 innvirkning på resultatene av hulrommet selv, derved forvrengt målingen. Her beskriver vi en ny og ikke-intrusive teknikk som gjør bruk av en kryss-polarisert probe bjelke og er kjent som resonans spredning (RS), hvor sonden er koblet ut av flyet inn i hulrommet gjennom en objektiv. Teknikken ble først demonstrasjonented av McCutcheon et al. 28 og videreutviklet av Galli et al. 29

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Ansvarsfraskrivelse: Følgende protokoll gir en generell prosess flyt dekker fabrikasjon og karakterisering teknikker for fotoniske krystaller waveguides og hulrom. Prosessflyten er optimalisert for den spesifikke utstyr tilgjengelig i vårt laboratorium, og parametre kan variere hvis andre reagenser eller utstyr brukes.

1. Prøvepreparering

  1. Sample spalte - ta silisium-på-isolator (SOI) skive og bruke en diamant skriver å ripe en linje omtrent 1-2 mm lang fra kanten av silisiumoverflaten, at ripen strekker seg over kanten av skiven. Juster scratch til en rett kant (f.eks som en objektglass) og anvende jevnt positivt trykk til begge sider av bunnen: wafer, vil holde fast langs krystallen flyet på scratch plasseringen. Gjenta denne fremgangsmåten for å definere hele brikken.
  2. Eksempel Rengjøring - Plasser prøven i FORSIKTIG aceton bruke pinsett ennd rengjøres på ultralydbad i 1-2 min. Fjern prøven fra aceton; skyll gjenværende aceton fra prøven ved hjelp av FORSIKTIG isopropanol (30 sek) (både aceton og isopropanol er brennbare: bruke god ventilasjon og unngå alle tennkilder). Tørk prøven med en ren tørr nitrogen pistol.
  3. Spin motstå - plasser prøven på spin-coater. Pipette elektron sensitive motstå FORSIKTIG ZEP520A (ZEP520A er brannfarlig, farlig ved innånding og kontakt med hud og øyne bør unngås) på prøven - bruker nok motstå å fullstendig dekke prøven uten motstå flyter over kanten. Spinn prøven slik som å gi en ca. 350 nm tykk film og bake på en kokeplate ved 180 ° C i 10 min. Vi fant denne tykkelse for å være den optimale tykkelse som balanserer oppløsning og etse resistens (se senere).

2. Mønster Definisjon

  1. Design - ved hjelp av egnet programvare, simulere den nødvendige fotoniske krystaller mønster. En nummeneh nyttige programvarepakker er tilgjengelig, inkludert men ikke begrenset til: MIT Fotoniske Bands (MPB), FullWAVE (RSoft), MIT Elektromagnetisk Equation Propagation (meep).
  2. Mønster Generation - opprette eksponering filer (GDS format generelt) og nærhet feil riktig ved hjelp av egnet programvare 30.
  3. Mønster Eksponering - laste prøven inn i kammeret i den elektronstrålen litografi system (LEO 1530 / Raith Elphy) og pumpe ned. Når vakuum er oppnådd, slår du på EHT tilbud og satt til 30 kV. Forlate systemet i denne tilstanden i 1 time for å tillate prøven, scene og kammer for å nå en likevekt temperatur. Satt opp en eksponering som er angitt i bruker-manualen til ditt spesifikke elektronstråle litografi system. Eksponer prøven med en passende grunnleggende trinn størrelse (f.eks 2 nm) (dette er den minste pikselstørrelse at systemet kan vise), en settling tid av minst 1 ms (dette vil være tidspunkt systemet venter mellom bevegelige strålen og utsetteden spesielle delen av mønsteret), og et område av 55 dose μAcm -2.
  4. Eksempel Development - hjelp FORSIKTIG Xylen (Xylen er både brannfarlig og svært giftig arbeid i et godt ventilert sted vekk fra tennkilder og unngå kontakt med hud og øyne) ved en temperatur på 23 ° C utvikle prøven for 45 sek. Skyll i isopropanol.

3. Patten Transfer

  1. RIE Chamber Rengjøring - Sett strømningshastigheter argon og hydrogen til 200 SCCM. Throttle ned pumpen via en sommerfugl ventil, for å oppnå kammertrykk på 1 x 10 -1 mBar. Still RF strøm til 100 W, antennes plasma og kjøre i minst 10 min - en DC bias på ca 700 V skal følges. Etter utkobling Ar / H 2 plasma, tillate kammeret å pumpe for omtrent 1 min. Innstill infusjonshastigheten av oksygen inn i kammeret til 200 SCCM og igjen throttle kammertrykk ned til 1 x 10 -1 mBar. Tenne en andre plasmaav oksygen med en effekt på 100 W og kjøre i 5 min. Etter disse prosedyrer, vil kammeret være fri for forurensninger, slik som polymer rester, fra tidligere tørr etch. Vi utfører denne prosedyren før hver endring i etch oppskrift for å sikre maksimal repeterbarhet. Denne prosedyren er optimalisert for vårt system som består av en parallell-plate, katode lastet, RIE; med hovedkammer 12 inches i diameter etter 14 inches i høyde, inkludert en 12-tommers port med både strupende ventil og turbo-molekylær pumpe knyttet.
  2. Fotoniske krystaller Etsing - last prøven i RIE hovedkammeret og pumpe systemet ned til en bakgrunn press på <3 x 10 -6 mBar for å sikre at kammeret er fri for vanndamp. Begynn etch av pre-kondisjonering av kammeret med etsning gasser (nemlig 3 CHF og SF 6): angi strømningshastigheten begge gasser til 100 SCCM (dvs. sette en gass forholdet 1:1) og på gasshåndtaket bringe kammeret press til 5 × 10 -2 mBar opprettholdes. En DC skjevhet mellom 200-220 V bør oppnås i hele etsning perioden.
  3. Eksempel Rengjøring å fjerne gjenværende elektron sensitive motstå - etter tørr etsing, rengjør prøven ved å skylle i FORSIKTIG 1165 Remover (1165 er brannfarlig og kan virke irriterende på øyne, nese og luftveier) med ultralyd omrøring i 1-2 min, etterfulgt av aceton og isopropanol som beskrevet ovenfor (trinn 1.2).
  4. Membran Isolasjon - spin-coat prøven med UV følsom bilde motstå FORSIKTIG mikroposit S1818 G2 (S1818 G2 er både brannfarlig og forårsaker irritasjon i øyne, nese og luftveier) (se trinn 1.3). Bruke en appropriate photomask, definere vinduer i motstå over fotoniske krystaller mønstre ved hjelp av UV-maske aligner. Utsett prøve for ca 30-45 sek. Utvikle motstå i FORSIKTIG mikroposit Developer MF-319 (MF-319 er et alkalisk væske og kan virke irriterende på øyne, nese og luftveier) i 30-45 sek, skylling etterpå i de-ionisert vann. Forbered en plast beger med en blanding av forsiktighet 01:05 Flussyre (1,1499 g / ml 48-51% HF) (HF er svært etsende og lett ødelegger vev, når håndtering bruke fullt verneutstyr vurdert for HF) å de-ionisert vann. Merk at for sikkerhetsgrunner kun plastbegre og pinsetter bør brukes med flussyre. Senk prøven i Flussyre blandingen i 15 minutter. Etter etsing, skyll prøven grundig i de-ionisert vann. Fjern gjenværende bildet-motstå bruke aceton og isopropanol (se trinn 1.2) - fra dette trinnet og videre ultrasoniske agitasjon kan ikke brukes. For å sikre prøvener ren som mulig, følg aceton og isopropanol vask med en skyll i FORSIKTIG Piranha løsning (Piranha løsningen er veldig energisk, potensielt eksplosiv og angriper organisk materiale, når håndtering bruke fullt verneutstyr) (3:1 FORSIKTIG svovelsyre (svovelsyre er etsende og meget giftige, når håndtering bruker personlig verneutstyr og unngå innånding av damp eller tåke) til FORSIKTIG hydrogen peroxide (hydrogenperoksid er svært farlig i tilfelle av hud-og øyekontakt, når håndtering bruke personlig verneutstyr)) for 5 min , og skyll prøven i de-ionisert vann, aceton og isopropanol. Merk at for sikkerhetsgrunner bare glass begerglass og metall pinsett bør brukes med Piranha løsningen. Som Piranha løsning kan eksplodere i kontakt med aceton eller isopropanol, bør det håndteres unna disse reagenser.
  5. Fasett spalte - hvis utarbeide en fotoniske krystaller sakte lys waveguide, krever prøven fasett spalte. Spalte sample ved å følge samme prosedyre som skissert i trinn 1.1, bortsett fra at så liten en ripe som mulig bør brukes. En SOI chip med ~ 700 mikrometer tykke underlaget kan bli pålitelig spaltes ned til 4-5 mm lange prøver.

4. Fotoniske krystaller Slow-light Waveguide Karakterisering

  1. Foreløpig utarbeidelse av oppsettet - koble utgangen av en FORSIKTIG bredbånd forsterket spontan utslipp (ASE) lyskilde (usynlig IR-stråling: unngå unødvendige høye makter, dekker strålebanen hvis mulig) til en 3 dB fiber splitter og bruke hver av utgangene til par lys inn de to armer av en fri-plass Mach-Zehnder interferometeter (MZI), som vist i Figur 9. Bruk asfæriske linser for å collimate lysmengden fra fibrene. I en av armene av interferometeret, bruke to ytterligere asfæriske linser som par lysstrålen i og ut av prøven chip. Plasser en polarisering strålesplitter (PBS) i prøven armen til TE-polarisere light innrykker prøven. Bruk asfæriske linser som par den kollimerte utgang bjelker fra begge armene tilbake til en andre 3 dB fiber splitter, hvor de vil rekombinere. Koble en av utgangene til en infrarød detektor og bruke lesningen av detektoren for å maksimere lyset muffen på prøven; koble den andre utgang til en optisk spektrum analysator (OSA). De to armene av MZI bør ha omtrent den samme optiske lengden når i nærvær av prøven: sørge for at fibrene i de to armer av MZI har samme nominelle lengde og inkluderer en avstembar forsinkelse stadium i referansen armen for å tillate for fininnstilling av sin lengde. I prøven arm, montere asfæriske linser bort på xyz presisjonsdelen å oppnå best koblingen inn i prøven.
  2. Juster referanse armlengde - par lysstrålen til en tom (dvs. uten fotoniske krystall) ridge bølgelederen (av samme type som tilgang bølgeledere som livnærer lyset inne de fotoniske krystaller) witynne samme brikke i utvalget arm. Kjør en kontinuerlig skanning på OSA og observere den målte bølgelengde spektra. Hvis de to armene av MZI har omtrent samme optiske lengde, spektrene utstillingen frynser på grunn konstruktiv og destruktiv interferens, og disse frynser vises ikke hvis armene til MZI har svært ulike optiske lengder (> ~ cm). Frynse avstanden er omvendt proporsjonal med forskjellen i optisk banelengde mellom de to armene. Flytt forsinkelsen scenen for å gjøre referanse armen kortere og observere frynsene i OSA: hvis de blir tettere (sparser), er referansen armen kortere (lengre) enn prøven armen. Sett forsinkelsen scenen for å være sikker på at referansen armen er kortere enn prøven arm og resulterer i en utkant avstand ca 5 til 10 frynser i en 10 nm bølgelengde spekter (se figur 10a). Avslutningsvis gjør denne optimaliseringen på enheten som gir den maksimale forsinkelsen og deretter holde forsinkelsen fast gjennom målingav hele prøven.
  3. Kalibrering kjøre - samtidig justeres på tomme waveguide, kjøre tre skanninger OSA: en skanning for interferens spekteret og en avsøkning for hver av de to armene separat (oppnådd ved å blokkere den andre armen). Bruk en oppløsning på 0.05 til 0.1 nm. Opp hver målte spekteret.
  4. Treg lys datainnsamling - kjøre og registrere tre spektra som i trinn 4.3 for hver fotoniske krystaller waveguide på brikken.
  5. Fourier dataanalyse - forstyrrelser spektrum (interferogram) I (ω) er matematisk uttrykkes ved:
    I (ω) = S (ω) + R (ω) + sqrt [S (ω) R (ω)] {exp [iΦ (ω) - iωτ] + cc}
    hvor S (ω) og R (ω) er de spektrale tettheter målt separat fra prøven og referansen armer, henholdsvis. Forsinkelsen τ angis av posisjon for forsinkelseslinjen scenen i referansen armen. Informasjonen på spredning av fotoniske krystaller waveguide finnes i fasesikt, som vi må trekke fra de målte data.
    Subtrahere den ikke-interfererende bakgrunn S (ω) + R (ω) fra interferogram å isolere bare det forstyrrende sikt. Beregn Fourier transform av det forstyrrende sikt: begrepet sqrt (SR) exp [i (Φ-ωτ)] og dets komplekse konjugat tilsvarer topper sentrert ved t = τ og t =-τ, henholdsvis. Filtrer tallmessig en av de to betingelsene og transformere tilbake til frekvensdomenet. Differensiere fasen Φ (ω) - ωτ av de resulterende data med hensyn på å oppnå ω Δτ g, forskjellen i gruppe forsinkelse mellom de to armene. Gruppen indeks n g = c / v g, med v g gruppehastighet, er gitt ved:
    n g = (Δτ g PhC - Δτ g cal) c / L + n cal,
    hvor Δτ g cal er hentet fra kalibreringsdata tatt frOm det tomme bølgelederen, L er fotoniske krystaller waveguide lengde og n cal = 2,7 er den effektive indeks av referansen ridge bølgeleder. Bidraget til forsinkelsen fra de ulike optiske elementer av oppsettet er tatt hensyn til i kalibrering løp, og er derfor trekkes i dette trinnet.
  1. Transmission kurve - beregn overføring kurve ved å normalisere prøven spekteret av en fotoniske krystaller waveguide til den av tomme bølgelederen.

5. Fotoniske Crystal Cavity Karakterisering

  1. Oppsett - fremstillingen av oppsettet (figur 14) for RS omfatter: veksling av den utskiftbare element til den polariserende strålesplitter; stikke en polarisator i input armen samt en analysator i utdataene armen; vende en speil inn sonden armen å tillate bruk av en nær-infrarød kilde; tillate belysning av prøven. Monter prøven vertikalt med en 45 ° orientering til aksenav polarisatoren (figur 18) på en differensial drevet xyz mikro-blokkere og juster mikro-blokken, slik at prøven er i fokus og et hulrom kan ses med kameraet, som i figur 15 (til venstre). Bruke en forsterket spontan emisjon (ASE) kilde, justere strålen med midten av hulrommet Figur 15 (til høyre). Vipp bort belysning speil og la ut armen for å gå inn i spektrometeret (monokromator med vedlagte array detektor). Starte en bred skanning med en lav til moderat oppløsning for å identifisere hulrom toppene. Innhent grov bølgelengde av resonans i ASE scan (figur 16a) med en nøyaktighet på 1 nm. Det er også mulig å kjøpe den brede skanning med en FORSIKTIG tunbare laser kilde (TLS) (figur 16b) (usynlig IR-stråling: unngå unødvendige høye makter, dekker strålebanen hvis mulig). Man må være forsiktig at oppløsningen er satt til den høyeste verdien for åprøve line-bredder av hver topp.
  2. Utføre høy oppløsning skanninger de identifiserte toppene - koble TLS til inngangen arm og dempe strålen til en mW nivå. Forbered deg på den høye oppløsningen skanning ved at produksjonen arm bli samlet inn av fotodetektoren og sette opp en kontinuerlig feie skanning med en oppløsning på 13:00 for en 2 nm sentrert i tidligere funnet gjenklang bølgelengde. Betydningen av dette trinnet er å forbedre signal-til-støy-forhold (SNR) med sikte på å oppnå en Lorentzian linje-form resonans: endrer xyz posisjonen av mikro-blokken og å kjøre skann før SNR er maksimert og linje-form er nær det av en Lorentzian, som vist i den representative resultatet delen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Eksempel fabrikasjon

Vårt valg av elektron-strålen motstå (dvs. ZEP 520A) er på grunn av sin samtidig høy oppløsning og etch motstand. Vi tror at ZEP 520A kan bli påvirket av UV-lys som slippes ut fra overhead laboratorium lys, slik vi anbefaler å plassere spin-belagte prøver i UV ugjennomsiktig beholdere mens flytte dem fra ett laboratorium til et annet.

Flytter til definere fotoniske krystaller mønsteret, før å utsette prøven har vi funnet at la elektronstrålen litografi system å avgjøre i minst en time etter lasting reduserer mis-justeringsfeil under skriving - dette skyldes prøven scenen og vakuumkammeret ikke være ved samme temperatur umiddelbart etter lasting. Som fotoniske krystaller mønstre, sammen med tilgang bølgeledere, kan ta flere timer å skrive, en liten drift i den fasen i forhold til kammeret (selv ved bare nanometer per fotoniske krystaller hull) resulterer i significant søm og muligens mønster forvrengning feil med hensyn til fotoniske krystaller toleranser. Denne feilen er tilfeldig i naturen, fra én eksponering til en annen, men kan være så høyt som 100 nm / min (absolutt posisjonelle feil), men relativ posisjonelle feil, dvs. kan mellom en fotoniske krystaller hull til et annet være av størrelsesorden nanometer, som kan bli ytterligere redusert ved å øke hastigheten som mønsteret er skrevet. Som nevnte problemene kan bli ytterligere negated (selv aldri helt fjernet) ved at systemet for å sette seg etter første lasting prøven.

Ar / H 2 plasma etch (brukes til å fjerne metall og silisium forurensninger gjennom ion bombardement) etterfulgt av O 2 plasma etch (benyttet for fjerning av polymer og organisk residuum gjennom plasma foraskningen) beskrevet i avsnitt 3.1 i protokollen definerer en rengjøring regime som ble utviklet for å kontrollere forurensning i RIE kammer når etsing fotoniske crystals - dette rengjøring vurderes, av oss å være en av de viktigste trinnene i fabrikasjon av fotoniske krystaller enheter, rengjøring av RIE kammeret er viktig å repeterbare pålitelig fabrikasjon spesielt som i vårt tilfelle der RIE ikke brukes utelukkende for etsing av silisium. Ar / H 2 plasma er sett å endre fra en blågrå farge (som indikerer et forurenset kammer) til en rosa farge (som viser at kammeret er fritt for forurensninger), en 10 min plasma er vanligvis tilstrekkelig. O 2 plasma blir så utført for et ytterligere 5-10 min avhengig renslighet av kammeret ved begynnelsen av prosessen (dvs. Ar / H 2 plasma farge). Selv om foregående metoden ikke har være bevist vi finner at fargen av plasmaet beviser en nyttig indikator for kammeret renslighet. Vi har også funnet at ved å pre-condition etch kammeret med silisium etch gasser i 10 min resulterer i en mer pålitelig prosess - vi trordette å skyldes etsning gass strømningsrater stabilisere og blir adsorbert inn kammerveggene under forutsetning perioden.

Når under-etsing prøven, for å lage membraner, ved hjelp flussyre, må tilgang bølgelederne være beskyttet. Hvis flussyre kommer i kontakt med tilgangen waveguide, trenger den gjennom den nå etset grøften (hver side av bølgelederen) og under-etser tilgangspunkter bølgeledere for hundre mikrometer. I ekstreme tilfeller tilgang bølgeledere kan bøye og bryte på grunn av påkjenninger, rendering en komplett chip ubrukelig. Som hydrofluorsyre er en isotrop etchant må etsning tid bli kontrollert for å hindre sideveis etsing (vinkelrett på fotoniske krystaller bølgelederen) forårsaker membranen bøyes på grunn av frigjøring av stress iboende til kisellaget. I ekstreme tilfeller, kan overdreven under etch også føre membranen til å kollapse.

Endelig, etablering av renfasetter for gratis-plass kopling av lys inn fotoniske krystaller waveguides er ekstremt utfordrende. Hvis riper / spaltet nøye, vil silisium hovedsak følge en krystall fly som danner en god fasett (i vår erfaring, er teknikker som fasett polering ikke nødvendig). En dårlig fasett kan forårsake store kopling tap på hver fasett. Vi anbefaler å perfeksjonere en spalte teknikk før du forsøker å arbeide med viktige prøver. Det er like viktig at en gang en god cleave er oppnådd fasetter ikke ødelegges: prøven bør kun løftes ved hjelp de to kantene som er parallelle med bølgelederne (dvs. ikke av slutten fasett sidene av chip). Sample lengder ned til 2-3 mm kan bli pålitelig oppnås med manuell spalte av en ~ 700 um tykk SOI chip. For mindre prøver, foreslår vi tynning underlaget eller bruke en annen spalte teknikk.

Selv om protokollen er skissert i denne artikkelen er optimalisert for SOI, det generelle prinsippet bak fabricasjon metoder er også gyldig for fabrikasjon av enheter i andre halvledere, selvfølgelig ved overgang fra silisium nøye vurdering av etch-verktøy, etse-kjemi og maske materialer måtte gjøres.

Fabrikasjon protokollen av dette papiret er optimalisert for enheter rettet mot et driftsresultat senterbølgelengde av 1550 nm, har imidlertid enheter også utarbeidet for MidIR (02.07 til 03.05 mikrometer) regime med fabrikasjon protokoller basert på de presenteres i denne artikkelen.

Bremse lys gruppe indeks målinger

Betydningen av gruppen indeksen som nøkkelen parameter for å måle langsom lyset stammer fra spredningsbildet eller band struktur ω (k) vanligvis brukt til å beskrive dispersjon av en fotoniske krystaller bølgeleder. 34 Den lokale skråning av dispersjonen kurve ∂ ω / ∂ k tilsvarer gruppehastighet v g, dvs. hastigheten som electromagnetic energi reiser gjennom bølgelederen, noe som kan være ekvivalent beskrives av gruppen indeks n g = c / v g. Verdier av ng rundt 5 tilsvarer rask lysregime, mens høyere verdier er vanligvis anses å falle innenfor i den langsomme lysregime.

Ved bygging av den langsomme lys MZI oppsett, er det viktig å sørge for at alle fibrene av de to armene til interferometeret er forsvarlig festet til den optiske bordet, som noen bevegelse eller vibrasjon vil endre banelengdene kompromitterende kvaliteten på interferogram oppkjøpet . Av samme grunn bør scanningen av interferogram utføres raskt, eller fluktuasjoner i fase vil resultere i uønskede svingninger av gruppen indeksdata. De to armene av MZI kan også realiseres helt i ledig plass for å unngå fiber helt, som i Reference 26: en gratis-plass MZI vil være mer stabil, men også vanskeligere å justere.

Avhengigoppløsning sett og styrken av Fabry-Perot frynser, er bestemmelse av gruppeindeks påvirket av stor usikkerhet når frynsene konvergerer svært tett. Stille forsinkelsen scenen til utgangspunktet gi 4-10 fringes/10 nm, som beskrevet i trinn 4.2 i protokollen, fungerer godt for fotoniske krystaller waveguides av lengder 30-100 mikrometer med relativt høye gruppe indekser, opptil n g> 100 for konstruert bremse lys bølgeledere 35 (se figur 12). For band-edge treg lys, de maksimale målbare gruppe indekser tendens til å være lavere for den samme lengde, på grunn av de høyere forplantning tap.

Med en utkant avstand ~ 4 fringes/10 nm er vi i stand til å pålitelig måle gruppe indekser opp til nesten 100 også i 300 mikrometer lang konstruert bølgeledere (Figur 13). For lengre bølgeledere, i utkanten blitt veldig tett veldig fort, og oppløsningen på OSA vil begrense den maksimale målbare gruppen indeksen. Vær imidlertid oppmerksom på at fora fast oppløsning og frynser avstand, ikke den maksimale målbar gruppen indeksen ikke skalere lineært med waveguide lengde, og kan også bli påvirket av forplantning tap spredning. For en veldig lang waveguide, foreslår vi å inkludere ved siden av det en kort waveguide med identisk design spesielt for gruppen indeksen måling.

Oppsummert har vi beskrevet en enkel og kraftig metode for den eksperimentelle bestemmelse av dispersjonen egenskapene bremse lys fotoniske krystall bølgeledere. Vår teknikk er basert på en kombinasjon av frekvens domene interferometri 23 med Fourier transform analyse 36 og gir mulighet for en direkte, ett-skudd, kontinuerlig tilordning av gruppen indeksen kurven, uten behov for forsinkelse skanninger, 23-24 lineær tilpasning av dataene 22 , 25 eller bestemmelse av posisjonen frynse ytterpunkter. 20-21,25 Ved å bruke en bredbånds lyskilde, er vi i stand til å trekke ut informasjon fra prøven over et stort wavele ngth rekkevidde, og i en meget stabil og repeterbar måte. Vi kan måle gruppe indeksene i overkant av 100 for både korte og middels lange bølgeledere (opptil 200-250 um), som er mye høyere verdier enn det som er nødvendig for den nyttige anvendelse av bremse lys bølgeledere for å øke ytelsen av både lineær og ikke-lineær enheter.

Resonant spredning

Fotoniske krystaller hulrom confine lys i-planet i to dimensjoner, i motsetning til fotoniske krystall bølgeledere, der lys styres i en dimensjon. Dette tillater lagring av lys i ultra-små volumer som er beskrevet av en energi nedbrytning, analoge til ie at en elektronisk resonatoren. I fotoniske systemer, er denne nedbrytning forbundet med fotonet levetid av hulrommet og er av eksponensiell form, dermed resulterer i en Lorentzian lineshape av peak. Forholdet av peak senterbølgelengde til full bredde Half-Maksimum representerer Q-faktoren.

jove_content "> En viktig egenskap ved RS teknikken er den polariseringen opprettholde eiendom oppsett og spesielt at av den høye NA målet. Her ligger problemet med kompatibiliteten til å ha en høy NA (høy samling effektivitet) og samtidig opprettholde polarisering, fordi høye NA målene tendens til å blande polarisasjonene. Denne polarisasjon sammenblanding er ansvarlig for små topper og lav SNR.

Når off-resonans, X-polarisert lys ankommer hulrommet (figur 18a), er det tilbake spredt gjennom målet og filtreres ut av strålesplitter / analysator (y-polarisert), slik at bare et lavt nivå er sett på detektoren. I tilfelle av polariseringen sammenblanding, er noen av de x-polariserte lyset konverteres til motsatt polarisering og kan passere analysator dermed øke bakgrunnen. Hvis da på-resonans lys par til hulrommet, roterer polariseringen for grunnleggende cavity mode (rød pil i FiGure 18b) og skaper en y-polarisering komponent. Dette lyset er rettet mot utgangen armen og passerer analysatoren. Igjen, kan y-polariserte lyset konvertere til den motsatte polarisasjon og dermed redusere signalnivået. Derfor må et mål å velges slik at polarisasjon sammenblanding holdes på et minimum.

For ultra-høy Q-faktor hulrom, for eksempel en hetero-struktur hulrom, er utsendt strøm lavere. Denne situasjonen kan ytterligere redusere SNR og peak forsvinner i støynivået. En lås-i konfigurasjon bør da brukes til å senke støynivået, ikke bakgrunnsnivået, for å gjenopprette den toppen.

Merk at vår oppsett (figur 14) er beregnet for multifunksjonelle hulrom karakterisering, og i tillegg til RS omfatter mikro-photoluminescence og generering av andre og tredje harmoniske frekvenser.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklært.

Acknowledgments

Forfatterne takknemlig erkjenner Dr Matteo Galli, Dr Simone L. Portalupi og professor Lucio C. Andreani fra Universitetet i Pavia for personer diskusjoner relatert til RS teknikk og utførelse av målinger.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acetone Fisher Scientific A/0520/17 CAUTION: flammable, use good ventilation and avoid all ignition sources.
Isopropanol Fisher Scientific P/7500/15 CAUTION: flammable, use good ventilation and avoid all ignition sources.
Electron Beam resist Marubeni Europe plc. ZEP520A CAUTION: flammable, harmful by inhalation, avoid contact with skin and eyes.
Xylene Fisher Scientific X/0100/17 CAUTION: flammable and highly toxic, use good ventilation, avoid all ignition sources, avoid contact with skin and eyes.
Microposit S1818 G2 Chestech Ltd. 10277866 CAUTION: flammable and causes irritation to eyes, nose and respiratory tract.
Microposit Developer MF-319 Chestech Ltd. 10058721 CAUTION: alkaline liquid and can cause irritation to eyes, nose and respiratory tract.
Hydrofluoric Acid Fisher Scientific 22333-5000 CAUTION: extremely corrosive, readily destroys tissue; handle with full personal protective equipment rated for HF.
Microposit 1165 Remover Chestech Ltd. 10058734 CAUTION: flammable and causes irritation to eyes, nose and respiratory tract.
Sulphuric Acid Fisher Scientific S/9120/PB17 CAUTION: corrosive and very toxic; handle with personal protective equipment and avoid inhalation of vapours or mists.
Hydrogen Peroxide Fisher Scientific BPE2633-500 CAUTION: very hazardous in case of skin and eye contact; handle with personal protective equipment.
Equipment
Silicon-on-Insulator wafer Soitec G8P-110-01
Diamond Scribe J M Diamond Tool Inc. HS-415
Microscope slides Fisher Scientific FB58622
Beakers Fisher Scientific FB33109
Tweezers SPI Supplies PT006-AB
Ultrasonic Bath Camlab 1161436
Spin-Coater Electronic Micro Systems Ltd. EMS 4000
Pipette Fisher Scientific FB55343
E-beam Lithography System Raith Gmbh Raith 150
Reactive Ion Etching System Proprietary In-house Designed --
UV Mask Aligner Karl Suss MJB-3
ASE source Amonics ALS-CL-15-B-FA CAUTION: invisible IR radiation.
Single mode fibers Thorlabs P1-SMF28E-FC-2
3 dB fiber splitters Thorlabs C-WD-AL-50-H-2210-35-FC/FC
Aspheric lenses New Focus 5720-C
XYZ stages Melles Griot 17AMB003/MD
Polarizing beamsplitter cube Thorlabs PBS104
IR detector New Focus 2033
100× Objective Nikon BD Plan 100x
Oscilloscope Tektronix TDS1001B
Optical Spectrum Analyzer Advantest Q8384
IR sensor card Newport F-IRC2
TLS source Agilent 81940A CAUTION: invisible IR radiation.
IR Camera Electrophysics 7290A
IR Detector New Focus 2153
Digital Multimeter Agilent 34401A
Illumination Stocker Yale Lite Mite
Monochromator Spectral Products DK480
Array Detector Andor DU490A-1.7
GIF Fiber Thorlabs 31L02

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Baba, T., Kawasaki, T., Sasaki, H., Adachi, J., Mori, D. Large delay-bandwidth product and tuning of slow light pulse in photonic crystal coupled waveguide. Opt. Express. 16, (12), 9245-9253 (2008).
  2. Melloni, A., Canciamilla, A., et al. Tunable delay lines in silicon photonics: coupled resonators and photonic crystals, a comparison. IEEE Photon. J. 2, (2), 181-194 (2010).
  3. Ishikura, N., Baba, T., Kuramochi, E., Notomi, M. Large tunable fractional delay of slow light pulse and its application to fast optical correlator. Opt. Express. 19, (24), 24102-24108 (2011).
  4. Beggs, D. M., Rey, I. H., Kampfrath, T., Rotenberg, N., Kuipers, L., Krauss, T. F. Ultrafast tunable optical delay line based on indirect photonic transitions. Phys. Rev. Lett. 108, (21), 213901 (2012).
  5. Beggs, D. M., White, T. P., O'Faolain, L., Krauss, T. F. Ultracompact and low-power optical switch based on silicon photonic crystals. Opt. Lett. 33, (2), 147-149 (2008).
  6. Nguyen, H. C., Sakai, Y., Shinkawa, M., Ishikura, N., Baba, T. 10 Gb/s operation of photonic crystal silicon optical modulators. Opt. Express. 19, (14), 13000-13007 (1364).
  7. Kampfrath, T., Beggs, D. M., White, T. P., Melloni, A., Krauss, T. F., Kuipers, L. Ultrafast adiabatic manipulation of slow light in a photonic crystal. Phys. Rev. A. 81, (4), 043837 (2010).
  8. Monat, C., Corcoran, B., et al. Slow light enhancement of nonlinear effects in silicon engineered photonic crystal waveguides. Opt. Express. 17, (4), 2944-2953 (2009).
  9. Corcoran, B., Monat, C., et al. light emission in silicon through slow-light enhanced third-harmonic generation in photonic-crystal waveguides. Nature Photon. 3, 206-210 (2009).
  10. Li, J., O'Faolain, L., Rey, I. H., Krauss, T. F. Four-wave mixing in photonic crystal waveguides: slow light enhancement and limitations. Opt. Express. 19, (5), 4458-4463 (2010).
  11. Checoury, X., Han, Z., Boucaud, P. Stimulated Raman scattering in silicon photonic crystal waveguides under continuous excitation. Phys. Rev. B. 82, (4), 041308 (2010).
  12. Y, Photonic crystal nanocavity laser with a single quantum dot gain. Opt. Express. 17, (18), 15975-15982 (2009).
  13. Ellis, B., Mayer, M. A., et al. Ultralow-threshold electrically pumped quantum-dot photonic-crystal nanocavity laser. Nature Photon. 24, 297-300 (2011).
  14. Galli, M., Gerace, D., et al. Low-power continuous-wave generation of visible harmonics in silicon photonic crystal nanocavities. Opt. Express. 18, (25), 26613-26624 (2010).
  15. Notomi, M., Shinya, A., Mitsugi, S., Kira, G., Kuramochi, E., Tanabe, T. Optical bistable switching action of Si high-Q photonic-crystal nanocavities. Opt. Express. 13, (7), 2678-2687 (2005).
  16. Shambat, G., Rivoire, K., Lu, J., Hatami, F., Vučkovič, J. Tunable-wavelength second harmonic generation from GaP photonic crystal cavities coupled to fiber tapers. Opt. Express. 18, (12), 12176-12184 (2010).
  17. Fan, S., Villeneuve, P. R., Joannopoulos, J. D., Haus, H. A. Channel drop filters in photonic crystals. Opt. Express. 3, (1), 4-11 (1998).
  18. Tanabe, T., Nishiguchi, K., Kuramochi, E., Notomi, M. Low power and fast electro-optic silicon modulator with lateral p-i-n embedded photonic crystal nanocavity. Opt. Express. 17, (25), 22505-22513 (2009).
  19. Nozaki, K., Tanabe, T., et al. Sub-femtojoule all-optical switching using a photonic-crystal nanocavity. Nature Photon. 4, 477-483 (2010).
  20. Notomi, M., Yamada, K., Shinya, A., Takahashi, J., Takahashi, C., Yokohama, I. Extremely large group-velocity dispersion of line-defect waveguides in photonic crystal slabs. Phys. Rev. Lett. 87, (25), 253902 (2001).
  21. Labilloy, D., Benisty, H., Weisbuch, C., Smith, C. J. M., Krauss, T. F., Houdré, R., Oesterle, U. Finely resolved transmission spectra and band structure of two-dimensional photonic crystals using emission from InAs quantum dots. Phys. Rev. B. 59, (3), 1649-1652 (1999).
  22. Inanç Tarhan, I., Zinkin, M. P., Watson, G. H. Interferometric technique for the measurement of photonic band structure in colloidal crystals. Opt. Lett. 20, (14), 1571-1573 (1995).
  23. Galli, M., Marabelli, F., Guizzetti, G. Direct measurement of refractive-index dispersion of transparent media by white-light interferometry. Appl. Opt. 42, (19), 3910-3914 (1364).
  24. Galli, M., Bajoni, D., Marabelli, F., Andreani, L. C., Pavesi, L., Pucker, G. Photonic bands and group-velocity dispersion in Si/SiO2 photonic crystals from white-light interferometry. Phys. Rev. B. 69, (11), 115107 (2004).
  25. Vlasov, Y. A., O'Boyle, M., Hamann, H. F., McNab, S. J. Active control of slow light on a chip with photonic crystal waveguides. Nature. 438, 65-69 (2005).
  26. Gomez-Iglesias, A., O'Brien, D., O'Faolain, L., Miller, A., Krauss, T. F. Direct measurement of the group index of photonic crystal waveguide via Fourier transform spectral interferometry. Appl. Phys. Lett. 90, (26), 261107 (2007).
  27. Akahane, Y., Asano, T., Song, B. -S., Noda, S. High-Q photonic nanocavity in a two-dimensional photonic crystal. Nature. 425, 944-947 (2003).
  28. McCutcheon, M. W., Rieger, G. W., et al. Resonant scattering and second-harmonic spectroscopy of planar photonic crystal microcavities. Appl. Phys. Lett. 87, (22), 221110 (2005).
  29. Galli, M., Portalupi, S. L., Belotti, M., Andreani, L. C., O'Faolain, L., Krauss, T. F. Light scattering and Fano resonances in high-Q photonic crystal nanocavities. Appl. Phys. Lett. 94, (7), 71101 (2009).
  30. WÃest, R., Strasser, P., Jungo, M., Robin, F., Erni, D., Jückel, H. An efficient proximity-effect correction method for electron-beam patterning of photonic-crystal devices. Microelectron Eng. 67-68, 182-188 (2003).
  31. Tanaka, Y., Asano, T., Akahane, Y., Song, B. -S., Noda, S. Theoretical investigation of a two-dimensional photonic crystal slab with truncated cone air holes. Appl. Phys. Lett. 82, (11), 1661 (2003).
  32. Asano, T., Song, B. -S., Noda, S. Analysis of the experimental Q factors (~ 1 million) of photonic crystal nanocavities. Opt. Express. 14, (5), 1996-2002 (2006).
  33. O'Faolain, L., Schulz, S. A., et al. Loss engineered slow light waveguides. Opt. Express. 18, (26), 27627-27638 (2010).
  34. Joannopoulos, J. D., Johnson, S. G., Winn, J. N., Meade, R. D. Photonic crystals, molding the flow of light. 2nd ed, Princeton University Press. (2008).
  35. Li, J., White, T. P., O'Faolain, L., Gomez-Iglesias, A., Krauss, T. F. Systematic design of flat band slow light in photonic crystal waveguides. Opt. Express. 16, (9), 6227-6232 (2008).
  36. Takeda, M., Ina, H., Kobayashi, S. Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry. J. Opt. Soc. Am. 72, (1), 156-160 (1982).
Fabrikasjon og karakterisering av fotoniske krystaller bremse lys Waveguides og hulrom
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Reardon, C. P., Rey, I. H., Welna, K., O'Faolain, L., Krauss, T. F. Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities. J. Vis. Exp. (69), e50216, doi:10.3791/50216 (2012).More

Reardon, C. P., Rey, I. H., Welna, K., O'Faolain, L., Krauss, T. F. Fabrication And Characterization Of Photonic Crystal Slow Light Waveguides And Cavities. J. Vis. Exp. (69), e50216, doi:10.3791/50216 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter